Forschungsprojekt Der lange Weg zur Gleichstromversorgung

Intelligente, offene Gleichstromnetze sollen in Zukunft die industrielle Produktion mit Strom versorgen, so energieeffizient und flexibel wie nie zuvor. Wird das so einfach möglich sein? – Eine Bestandsaufnahme.

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Die Entscheidung für Wechselspannung und damit gegen Gleichspannung, um Stromversorgungsnetzwerke großräumig aufzubauen, fiel um das Jahr 1890 in den USA. Ihr vorausgegangen war der „Stromkrieg“ zwischen Thomas Alva Edison und George Westinghouse, in dem es in erster Linie um wirtschaftliche Interessen ging. Weil sich Wechselspannung aber im Gegensatz zu Gleichspannung bei niedrigen Spannungen im Bereich 220 V über große Strecken übertragen lässt, gewann am Ende diese Technologie. Und so verwenden wir Wechselspannung ganz selbstverständlich auch für die Versorgung unserer Fabriken mit Strom – bis heute.

Das soll allerdings nicht so bleiben. „Eine veränderte Netzinfrastruktur, die auf Gleichspannungsnetzen basiert, bringt die Energiewende voran, fördert die Energieeffizienz und unterstützt Industrie 4.0“, erklärt Gunther Koschnick, Geschäftsführer des Fachverbands Automation beim ZVEI. Damit hat Koschnick die wesentlichen Ziele des Projekts „DC-Industrie – Intelligentes offenes DC-Netz in der Industrie für hocheffiziente Systemlösungen mit elektrischen Antrieben“ zusammengefasst, dessen Ergebnisse der Verband auf der Hannover Messe 2019 vorgestellt hat.

Insgesamt 21 Unternehmen aus der Industrie, vier Forschungsinstitute und der ZVEI arbeiten seit Juli 2016 daran, mehr Energieeffizienz und Energieflexibilität in die industrielle Produktion zu bringen. Gleichstrom – „direct current“ (DC) – gilt dabei als zukünftige Schlüsseltechnologie für ein energieeffizientes, offenes Smart Grid in der Fabrikhalle. Mittlerweile hat das Projekt die Umsetzungsphase erreicht: Seit Anfang des Jahres sind Demoanlagen der Projektpartner Daimler, Homag und KHS in Betrieb.

Es geht um Energieeffizienz, Energieflexibilität und Netzstabilität

In erster Linie geht es um Energieeffizienz, Energieflexibilität und Netzstabilität. So kommen beispielsweise Versorgungsunterbrechungen des öffentlichen Stromnetzes in vielen Regionen Deutschlands häufig vor – oft nur wenige Millisekunden lang. Dennoch stören sie den Betriebsablauf und können elektronische Komponenten zerstören. Ein smartes DC-Grid kann auf solche Versorgungsunterbrechungen reagieren und die Fabrik zum Beispiel über Batterien versorgen oder Verbraucher bei Bedarf gezielt ein- und ausschalten.

Darüber hinaus verursachen elektrische Energiespitzen hohe Kosten, weil elektrische Energie und die notwendige Infrastruktur bereitgestellt werden müssen. Eigene Energiespeicher in einem DC-Grid können Energiespitzen dagegen abfangen. Nicht zuletzt ermöglichen DC-Netze die Einspeisung von Strom ins öffentliche Netz. Zu Zeiten, in denen die Produktion still steht – etwa am Wochenende – kann die Fabrik dem öffentlichen Netz also Energie zur Verfügung stellen. „Die DC-Industrie-Fabrik wird zum Prosumer“, erklärt Gunther Koschnick. Ein weiterer Vorteil: Vom Rechner über industrielle Antriebe, Roboter und Fertigungstechnologien bis hin zur Hallenbeleuchtung – nahezu alle geregelten elektrischen Verbraucher in der Produktion benötigen bereits heute Gleichspannung. Um sie zu versorgen, muss Wechselspannung also zunächst umgewandelt werden.

Vorteile auch für die Nutzung regenerativer Energien

Neben den geringeren Wandlungsverlusten bieten gleichspannungsbasierte Netze auch Potenziale, wenn es darum geht, regenerative Energie zu nutzen. Im Fall von Photovoltaikanlagen auf Produktionshallen zum Beispiel lässt sich die aus dem Sonnenlicht erzeugte Gleichspannung direkt für die Produktion nutzen oder in industriellen Energiespeichern zwischenspeichern. Ähnlich wie in Hybrid- oder Elektrofahrzeugen können in einem Gleichspannungsnetz zudem die Vorteile der sogenannten Rekuperation einfacher genutzt werden: Energie, die unter anderem beim Abbremsen der Antriebe und Roboter in der Anlage entsteht, lässt sich so effizient zurückgewinnen.

Bei Daimler gelten daher die direkte Nutzung regenerativer Energien, die Energiespeicherung (hier insbesondere im Umfeld des Second-Use von Automobilbatterien), die Versorgung der technischen Gebäudeausstattung (Lüftung, Beleuchtung), aber auch die Versorgung der Produktionssysteme als interessante Einsatzbereiche für DC-Netze. Auch die schnell voranschreitende Umstellung auf Hybrid- und Elektrofahrzeuge im Rahmen der unternehmenseigenen EQ-Initiative erzeugt einen stark wachsenden Bedarf an gleichspannungsbasierter Schnell-Ladetechnik für die EQ-Fahrzeuge im produktionsnahen Umfeld.

Daimler testet mit Demonstratoren

Daher setzt das Unternehmen zwei – räumlich verbundene – Demonstratoren im Innovationslabor seiner Technologiefabrik um. Das im Projekt DC-Industrie spezifizierte Systemkonzept wird anhand einer Rohbau-Produktionsanlage und einer Elektro-Hängebahn (EHB) erprobt. Zum Einsatz kommen hier Komponenten nahezu aller projektbeteiligten Partner, um die Interoperabilität der Produkte zu untersuchen.

Auch ein Teilbereich der „Factory 56“, die aktuell im Mercedes-Benz Werk Sindelfingen entsteht, wird mit einer prototypischen Gleichspannung-Infrastruktur ausgestattet. Auf dem Dach der „Factory 56“ befindet sich eine Photovoltaikanlage, die die Halle zusätzlich mit selbst erzeugtem grünem Strom versorgt. Ein Teil des Stroms wird in ein Gleichspannungs-Netz der Halle eingespeist.

Bestehende Schutzschaltgeräte nur bedingt geeignet

Die neuen DC-Netze erfordern jedoch Lösungen, die sich mit bestehenden, auf elektromechanischen Komponenten basierenden Schutzschaltgeräten nur bedingt erfüllen lassen. Zu den Unternehmen, die als Verbundpartner des Projekts bereits an Technologielösungen arbeiten, gehört Eaton.

Dabei handelt es sich um Schalttechnologien, die auf leistungselektronischen Komponenten basieren, insbesondere um sogenannte Hybridschalter bzw. reine Halbleiterschalter. Diese im Niederspannungsbereich neuen Konzepte zur intelligenten Netzsteuerung erlauben es, Schalt- und Schutzanforderungen, sowie Messung, Kommunikation und Steuerung in einem Gerät („Smart Breaker“) zu vereinen. Sie sollen den Weg für Produktentwicklungen ebnen, um Lösungen für künftige intelligente Netzapplikationen (AC und DC) bereitstellen zu können.

DC-Getriebemotoren integriert

Auch Projekt-Verbundpartner Bauer Gear Motor arbeitet intensiv an Lösungen. In Zusammenarbeit mit den Projektpartnern hat das Unternehmen inzwischen neue DC-gespeisten Getriebemotoren mit integrierten Frequenzumrichtern entwickelt und funktionsfähige Muster zur Integration in die Demonstratoren hergestellt. „Im Rahmen der definierten Anwendungstests wurde bei der KHS-Anlage die Interoperabilität bereits nachgewiesen“, erklärt Karl-Peter Simon, Managing Director and President, Bauer Gear Motor GmbH. Nach Abschluss des jetzigen Projektes soll die Serienentwicklung starten.

Schon früh hat sich Kabelhersteller Lapp mit dem Thema befasst und ist der Frage nachgegangen, ob sich gängige Wechselstromleitungen ebenso gut für Gleichstrom eignen. Davon waren die meisten Experten bisher ausgegangen. Im Rahmen eines Forschungsprojekts in Kooperation mit Professor Frank Berger von der TU Illmenau unterstützt Lapp die Arbeitsgruppe auch mit Testleitungen und Prüfständen. Die Tests zeigen, dass die Experten falsch lagen. Das elektrische Feld einer Gleichspannung wirkt anders auf die Kunststoff-Isolierung einer Leitung als ein Wechselspannungsfeld. Für abschließende Empfehlungen sei es zwar noch zu früh, doch Berger betont, dass „für bestimmte Anwendungen unter Gleichstrom tatsächlich andere Materialien gefordert sein werden als in Wechselstrom-Anwendungen“. Weitere anwendungsnahe Versuche sollen Klarheit bringen.

Gleichstrom/Wechselstrom

Braucht es neue Kabel für Gleichstrom?

Die Versorgung mit Gleichstrom verspricht eine Reihe von Vorteilen. Doch es gibt noch einiges zu tun. Den größten Handlungsbedarf sieht Gunther Koschnick bei der Erarbeitung entsprechender Normen sowie der Entwicklung geeigneter DC-Schalter, Themen, die sicher im zweiten Forschungsprojekt Raum finden werden. Das ist vor wenigen Wochen gestartet.

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